新形勢(shì)下環(huán)境儀器分析課程建設(shè)模式探索

張麗彬　郭淵明　陳顥明　江心白　沈錦優(yōu)

［摘 要］在我國持續(xù)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)以及高校線上線下融合教學(xué)的新形勢(shì)下，文章對(duì)環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)課程教學(xué)模式展開探索，針對(duì)環(huán)境儀器分析這一專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過模塊化整合課程大綱章節(jié)、課程思政融入結(jié)合問題導(dǎo)向案例式引入、生動(dòng)具象化原理講解和強(qiáng)化線上線下融合課程中的過程考核等舉措，提升課程建設(shè)質(zhì)量、優(yōu)化教學(xué)模式、助力環(huán)保人才培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］環(huán)境儀器分析；模塊化；問題導(dǎo)向；具象化；過程考核

［中圖分類號(hào)］ G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）09-0020-03

一、環(huán)境儀器分析課程改革的基礎(chǔ)及問題

環(huán)境儀器分析課程是環(huán)境類專業(yè)本科生在具備無機(jī)、有機(jī)、分析化學(xué)等知識(shí)的基礎(chǔ)上必修的學(xué)科基礎(chǔ)課。課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力，使其掌握現(xiàn)代研究手段與方法起到重要作用。課程教學(xué)目標(biāo)為有機(jī)結(jié)合環(huán)境儀器分析主線課程與相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，立足于融合環(huán)境污染物檢測(cè)基本原理和應(yīng)用技術(shù)等知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具備較好的分析、解決問題能力，使其成為相關(guān)專業(yè)的復(fù)合型人才；培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際環(huán)境污染問題的能力，使其樹立正確價(jià)值觀，積極踐行“工匠精神”；逐漸形成課堂形式多元化及模塊化、理論聯(lián)系實(shí)際、貫穿本科教學(xué)全過程的課程體系。

目前，環(huán)境儀器分析課程體系多以儀器結(jié)構(gòu)組成、工作原理等理論知識(shí)的講授為主，并結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)，主要存在以下亟須解決的重點(diǎn)問題：一是本課程理論性較強(qiáng)。環(huán)境污染物檢測(cè)主要是化學(xué)分析與儀器分析方法的結(jié)合，對(duì)分析儀器工作原理的扎實(shí)掌握必不可少。然而，學(xué)習(xí)儀器分析原理需要大量的有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理知識(shí)基礎(chǔ)，在課程學(xué)習(xí)中需對(duì)多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融會(huì)貫通。此外，知識(shí)點(diǎn)介紹理論性較強(qiáng)，一些學(xué)生對(duì)部分儀器原理的理解存在困難。二是課堂互動(dòng)不足、反饋不及時(shí)。以往課程教學(xué)中缺乏教師與學(xué)生有效互動(dòng)，學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力難以體現(xiàn)；傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式難以充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，教師與學(xué)生互動(dòng)交流的缺失使得信息反饋不及時(shí)。三是與相關(guān)課程的有機(jī)銜接性欠佳。學(xué)生在先修課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程、專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，缺乏對(duì)環(huán)境工程專業(yè)課程的整體性認(rèn)知[1]。

二、環(huán)境儀器分析課程改革方案

針對(duì)上述問題，課題組對(duì)環(huán)境儀器分析課程在教學(xué)大綱、課程建設(shè)模式和教學(xué)方式等方面進(jìn)行了改革。

（一）模塊化整合課程大綱章節(jié)

將課程內(nèi)容整合為色譜分析、光譜分析、質(zhì)譜分析、電位分析及聯(lián)用技術(shù)幾大模塊，便于知識(shí)點(diǎn)類比，并突出重難點(diǎn)知識(shí)的串聯(lián)講解；同時(shí)，鑒于環(huán)境生物技術(shù)在水體、土壤污染治理技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，擬在課程中加入環(huán)境生物樣品分析的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及高通量測(cè)序分析原理相關(guān)內(nèi)容。

進(jìn)行模塊化整合后，課程的色譜分析模塊包括：氣相色譜分析法亞模塊，如色譜法概述及分類、氣相色譜分析；高效液相色譜分析法亞模塊，如高效液相色譜儀、高效液相色譜法的分類及分離原理、高效液相色譜法的應(yīng)用。光譜分析模塊分為原子光譜法和分子光譜法亞模塊。原子光譜法包括：原子發(fā)射光譜分析法，如原子發(fā)射光譜分析的基本原理、原子發(fā)射光譜儀器、光譜定性分析及應(yīng)用、光譜定量分析及應(yīng)用；原子吸收光譜分析法，如原子吸收光譜的產(chǎn)生原理、原子吸收光譜測(cè)量的基本依據(jù)、原子吸收光譜儀器、干擾及消除方法、原子吸收光譜法的應(yīng)用。分子光譜法亞模塊包括：紫外吸收光譜分析法，如分子光譜分析的分類及特點(diǎn)、紫外吸收光譜法；紅外吸收光譜分析法，如紅外吸收光譜法的分析原理、紅外光譜儀和實(shí)驗(yàn)技術(shù)、紅外吸收光譜法的應(yīng)用；分子熒光光譜法如熒光光譜法基本原理、熒光分析儀器。質(zhì)譜分析和電位分析獨(dú)立形成模塊，包括：質(zhì)譜分析法，如質(zhì)譜分析法概述、有機(jī)化合物質(zhì)譜峰、有機(jī)化合物質(zhì)譜與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系、質(zhì)譜儀器；電位分析法，如電化學(xué)分析法概述、電位分析法概述、電位滴定法、伏安分析法。

（二）課程思政融入結(jié)合問題導(dǎo)向案例式引入

課題組結(jié)合環(huán)境工程專業(yè)特點(diǎn)，圍繞國家《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)》《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》等重要文件精神，在課程講授過程中通過思政元素融入培養(yǎng)學(xué)生的生態(tài)文明觀及工匠精神。同時(shí)，基于以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式（Problem-based Learning，PBL）[2]，通過案例引入教學(xué)模塊主體內(nèi)容。

在色譜分析模塊，通過水體農(nóng)藥污染、果蔬農(nóng)殘污染的案例引入，引導(dǎo)學(xué)生在從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的過程中，認(rèn)知、理解氣相色譜分析、高效液相色譜分析在環(huán)境污染中的應(yīng)用及原理，同時(shí)融入有機(jī)污染防治任重道遠(yuǎn)的理念、培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)責(zé)任感。在光譜分析模塊，原子光譜分析亞模塊以大氣鉛污染、土壤重金屬污染案例為引導(dǎo)進(jìn)入章節(jié)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)重金屬測(cè)定使用的原子發(fā)射光譜分析法和原子吸收光譜分析法。在分子光譜亞模塊，紫外光譜章節(jié)通過水體富營養(yǎng)化案例引入，介紹氮磷檢測(cè)儀器的使用方法及其應(yīng)用；紅外光譜章節(jié)通過海洋石油污染案例導(dǎo)入課程內(nèi)容學(xué)習(xí)。在質(zhì)譜分析模塊，以復(fù)雜廢水環(huán)境污染樣品的分析檢測(cè)為例引出液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，導(dǎo)入章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容。在電位分析模塊，通過自然水體水質(zhì)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定案例，引出章節(jié)學(xué)習(xí)中的重要知識(shí)點(diǎn)。另外，我國近年來在生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境治理方面取得了豐碩成果，在教學(xué)模塊中有機(jī)融入這些環(huán)境治理案例，可在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，逐步樹立其生態(tài)文明理念[3]。

儀器分析知識(shí)要充分融入環(huán)境污染問題學(xué)習(xí)的“發(fā)現(xiàn)—分析—解決”全流程中。結(jié)合專業(yè)開設(shè)的新生研討課，在大一階段向?qū)W生展示儀器分析在環(huán)境污染問題發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用需求，并使其貫穿后續(xù)相關(guān)基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，以及環(huán)境污染治理技術(shù)課程、實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)等全過程，從環(huán)境污染問題“發(fā)現(xiàn)”到環(huán)境污染問題“分析”直至環(huán)境污染問題“解決”全流程滲透、融入，以實(shí)現(xiàn)新工科課程建設(shè)背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)[4]。

（三）生動(dòng)具象化原理講解

在環(huán)境儀器分析課程中，儀器原理的介紹多為抽象化內(nèi)容，學(xué)生理解較為困難。在授課過程中，可通過結(jié)合生活實(shí)際，將抽象化原理進(jìn)行具象化解釋。如在課程的色譜分析模塊中，氣相色譜和高效液相色譜章節(jié)均涉及色譜分離中物質(zhì)在固定相和流動(dòng)相中的多次分配原理。結(jié)合日常生活實(shí)際引入具象化類比，有助于學(xué)生理解多次分配的原理。在原理講解過程中，可將課堂中的男同學(xué)和女同學(xué)比喻為進(jìn)入色譜中的待分離組分、將色譜分離的過程比喻為全體同學(xué)一起去商業(yè)街購物的過程。全體同學(xué)在商業(yè)街中前行，街上人流就如同色譜流動(dòng)相、街兩邊的各種店鋪就如同色譜固定相。通常，女同學(xué)傾向于多次進(jìn)入店鋪選購商品且在店鋪中停留的時(shí)間較長，因而較晚到達(dá)商業(yè)街的盡頭；而男同學(xué)則相反，他們傾向于較少進(jìn)入甚至不進(jìn)入店鋪而直接隨著人流行進(jìn)至商業(yè)街盡頭。這一過程中，女同學(xué)的行為模式類似于待分離組分中分配系數(shù)較大、與固定相作用較強(qiáng)，因而在柱中停留時(shí)間長，較晚流出色譜柱的組分，這些組分在色譜圖中出峰較晚。相反，男同學(xué)的行為模式則類似于分配系數(shù)較小、在柱中停留時(shí)間短、較早流出色譜柱的組分，這些組分在色譜圖中出峰較早。通過這樣具象化、生動(dòng)化的類比講解，可使學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，將色譜分離中復(fù)雜、晦澀的原理更好地進(jìn)行吸收、理解，有利于其后續(xù)色譜分離相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

又如，在光譜分析模塊中介紹，原子吸收之父沃爾什發(fā)明的銳線光源完美解決了原子吸收的測(cè)量難題，使該分析方法得以推廣應(yīng)用。其中，關(guān)于銳線光源的峰值吸收代替連續(xù)光源的積分吸收的原理，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通常較難直接理解。對(duì)于這一原理的講解，教師可結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)采用具象化的教學(xué)方式。采用連續(xù)光源時(shí)，可將原子吸收過程類比為一塊蛋糕被蚊子叮咬一口，若想求出這塊蛋糕被叮咬的部分占比多少，顯然是難以測(cè)算的。這個(gè)例子就類似于連續(xù)光源中由于被吸收的部分占比太小，采用現(xiàn)有分光技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量的情況。然而，采用銳線光源的峰值吸收系數(shù)替代以后，相當(dāng)于將蛋糕切成極薄的薄片后再被蚊子叮咬一口，此情形中由于被叮咬的部分在被切后的蛋糕中占比顯著提高，因而有望實(shí)現(xiàn)其測(cè)算。

（四）在線上線下混合式課程建設(shè)中強(qiáng)化過程考核

當(dāng)前，線上線下混合式課程逐漸成為高校課程教學(xué)的新趨勢(shì)。形式多樣的多媒體技術(shù)構(gòu)建的線上教學(xué)系統(tǒng)如超星學(xué)習(xí)通等，已被廣泛地應(yīng)用于開放式線上教學(xué)中。環(huán)境儀器分析課程涉及的章節(jié)內(nèi)容繁多，且儀器原理之間的聯(lián)系和差異容易引起學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的混淆。同時(shí)，受限于傳統(tǒng)課堂的容量，在規(guī)定課時(shí)內(nèi)教師通常只能遵循課程進(jìn)度安排將課程章節(jié)內(nèi)容連貫講解，而難以將重難點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)、充分講解，部分學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解存在一定困難。

一方面，通過線上線下混合式課程，可有效擴(kuò)大課程容量，將學(xué)習(xí)過程由“被動(dòng)低效”轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)高效”。課題組基于線上教學(xué)平臺(tái)中教學(xué)資源的優(yōu)點(diǎn)和特色，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際，針對(duì)課程章節(jié)的具體內(nèi)容選擇重難點(diǎn)知識(shí)制作相應(yīng)的視頻課件，將儀器工作原理的重難點(diǎn)內(nèi)容以短視頻的方式在線上課程進(jìn)行系統(tǒng)展示，有針對(duì)性地精講知識(shí)點(diǎn)。采用這種形式，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使其根據(jù)自身在線下課堂中存在的問題，利用碎片化時(shí)間進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)、自主在線上課程系統(tǒng)中反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。這樣可在保證學(xué)習(xí)時(shí)間的同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的吸收、理解和掌握[5]。另一方面，在線上線下混合式課程中可以進(jìn)行更為靈活的教學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)置線上作業(yè)、在線答疑、在線互動(dòng)討論等多樣化的教學(xué)環(huán)節(jié)。線上線下混合式課程還可以在線下授課的基礎(chǔ)上，在線上對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)輔導(dǎo)，解決學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化問題。通過高效、多元化的線上線下混合課程的構(gòu)建，可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提升課程教學(xué)效果[6]。教師根據(jù)在線互動(dòng)討論、答疑等環(huán)節(jié)的反饋結(jié)果，進(jìn)行課程反思及改進(jìn)。此外，在線上線下混合式課程中，基于學(xué)習(xí)播放記錄、在線互動(dòng)參與度等數(shù)據(jù)，通過合理分配考核成績的權(quán)重，可有效支持課程評(píng)價(jià)中過程性考核成績的科學(xué)性、客觀性。

為提高課程教學(xué)及學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，課題組根據(jù)《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》等有關(guān)文件精神，結(jié)合環(huán)境儀器分析課程特點(diǎn)，對(duì)課程考評(píng)方式進(jìn)行優(yōu)化，健全課程考核制度，客觀、公正、準(zhǔn)確地檢驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量。課程考評(píng)方式優(yōu)化過程中要注重知識(shí)考核與能力考核相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合、過程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合。通常環(huán)境儀器分析課程考核主要采用“考試+平時(shí)成績”模式，即以期末閉卷考試成績?yōu)橹鳌⒁哉鹿?jié)作業(yè)成績?yōu)檩o來評(píng)定最終成績，在當(dāng)前線上線下融合的教學(xué)形式下有一定的局限性。針對(duì)課程的特點(diǎn)，可將課程考評(píng)分為偏重學(xué)生日常學(xué)習(xí)成果、形成持續(xù)性評(píng)價(jià)的過程性考核，以及偏重學(xué)生最終學(xué)習(xí)成果、形成總結(jié)性評(píng)價(jià)的結(jié)果性考核。兩部分考核評(píng)分可分別依據(jù)課堂表現(xiàn)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、課程作業(yè)、隨堂測(cè)試、課程報(bào)告、課程論文等過程性考核，以及筆試、口試或者網(wǎng)絡(luò)考試等結(jié)果性考核來進(jìn)行。通過過程性考核和結(jié)果性考核結(jié)合，特別是過程性考評(píng)比重的提升，全面發(fā)揮課程考核的檢測(cè)、診斷、導(dǎo)向、評(píng)價(jià)、反饋等功能。

三、結(jié)語

在生態(tài)文明建設(shè)及新工科背景下，開展科學(xué)合理的環(huán)境儀器分析教學(xué)模式改革極為必要。本文融合在線課程與傳統(tǒng)課堂教學(xué)，建設(shè)線上線下有機(jī)結(jié)合、模塊化知識(shí)整合、授課形式豐富的多元化課程教學(xué)系統(tǒng)；將主線課程與新生研討課、先修課程、實(shí)驗(yàn)課程緊密連接，形成貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境污染問題的“發(fā)現(xiàn)—分析—解決”全流程的環(huán)境儀器分析課程體系。上述舉措可有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)及思維能力，為培養(yǎng)新形勢(shì)下的工程人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］